Das Aufladen von Batterien auf Nickelbasis

Die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit einer Batterie hängt zum grössten Teil von der Qualität des Ladegerätes ab. Den Batterieladegeräten werden sehr oft nur kleine Prioritäten zugeordnet, speziell bei Konsumgütern. In diesem Dokument behandeln wir das Ladegerät als ein wichtiges Zubehör und in einem gewissen Sinn als Beschützer der Batterie. Wir betrachten verschiedene Lademethoden im Hinblick auf bessere Leistung von Batterien auf Nickelbasis. (Eine entsprechende Studie wird sich mit Lithium und Blei als Basis beschäftigen).

Eine Batterie sollte während der Ladung immer kühl bleiben, da erhöhte Temperaturen die Lebenserwartung der Batterie verkürzen. Einen gewissen Temperaturanstieg bei auf Nickel basierenden Batterien kann nicht vermieden werden. Die Zeit, während der eine Batterie höheren Temperaturen ausgesetzt ist, sollte kurz bleiben. Ein Temperaturanstieg erfolgt in der zweiten Hälfte des Ladezyklus. Die Batterie sollte Raumtemperatur aufweisen, wenn sie sich in Schwebeladung befindet. Wenn die Temperatur höher ist als Raumtemperatur, und dies während einiger Stunden und im 'ready'-Modus, dann hat das Ladegerät nicht richtig funktioniert. In diesem Fall sollte die Batterie sobald geladen, aus dem Ladegerät entfernt werden.

Eine Lithiumbatterie darf nie warm werden während der Aufladung. Ist dies der Fall, ist entweder die Batterie oder das Ladegerät defekt. Von einer weiteren Verwendung sollte abgesehen werden.

Ladegeräte für auf Nickel basierende Batterien können in 3 Kategorien aufgeteilt werden:

Langsamladegerät --- Auch bekannt als 'Übernachtlader'. Das Langsamladegerät führt eine feste Ladung von ca. 0,1C* durch (ein Zehntel der Kapazität), und zwar so lange, als die Batterie am Ladegerät angeschlossen ist. Die Ladezeit beträgt etwa 14 bis 16 Stunden. Langsamladegeräte werden für drahtlose Telefone, tragbare CD-Spieler oder andere Konsumgüter angewendet.

Normalladegerät --- Ein Normalladegerät lädt in einem mittleren Bereich, sowohl im Sinn der Ladezeit wie auch vom Preis aus gesehen. Die Ladezeit beträgt 3 bis 6 Stunden. Das Ladegerät schaltet auf Schwebeladung, sobald der Ladevorgang beendet ist. Normalladegeräte werden für drahtlose Telefone, Laptops und Videokameras verwendet.

Schnellladegerät --- Gebaut für Batterien auf Nickelbasis, lädt ein Schnellladegerät eine Batterie in 1 Stunde auf. Eine Schnellladung wird bevorzugt, da sie die Bildung von grossen Kristallen reduziert (Memory-Effekt). Eine zuverlässige Erkennung des Vollladezustandes ist wichtig. Wenn die Batterie voll geladen ist, stoppt das Ladegerät den Schnellladevorgang und schaltet auf Schwebeladung. Schnellladegeräte werden sowohl in der Industrie wie auch für Batterien von Funkgeräten, von medizinischen Geräten und Werkzeugen verwendet.

Fabrikneue Batterien auf Nickelbasis sollten vor dem Ersteinsatz mit einer 24-stündigen Langsamladung formatiert werden. Die Langsamladung bringt alle Zellen in einen identischen Ladezustand, was nötig ist, da die Zellen eine unterschiedliche Selbstentladung haben können. Eine Langsamladung verteilt auch den Elektrolyt gleichmässig, was trockene Stellen auf dem Trennelement korrigiert, die entstanden sein können durch die Einwirkung der Schwerkraft während der Lagerung.

Einige Batteriehersteller führen keine volle Formatierung der Batterien durch vor ihrer Auslieferung. Die volle Leistung einer Batterie wird erst erreicht, nachdem die Batterie durch mehrere Lade-/Entladezyklen formatiert worden ist, entweder durch einen Batterieanalyser, oder im normalen Einsatz. In einigen Fällen werden 50 bis 100 Lade-/Entladezyklen benötigt für volle Leistung. Bei einer gezielten Formatierung wird die volle Leistung nach 5 bis 7 Zyklen erreicht.

Die meisten wiederaufladbaren Zellen sind mit einem Sicherheitsventil ausgestattet, um den bei einer Ladung entstehenden Überdruck austreten zu lassen. Ein Sicherheitsventil bei Batterien auf Nickelbasis öffnet zwischen 10 und 13 Bar, oder 150 bis 200 psi (Der Druck eines Autoreifens beträgt ca. 2.3 Bar oder 35 psi). Mit wiederverschliessbaren Ventilen entstehen keine Schäden nach einer eventuellen Verwendung. Sonst kann der Elektrolyt austreten und die Versiegelung kann ein Leck aufweisen. Ein weisses Pulver an der Ventilstelle zeigt, dass das Ventil gearbeitet hat.

Die Schnellladung verbessert die Ladeeffizienz. Mit 1C ist die Ladeeffizient etwa 90% und die Ladezeit bei einer leeren Batterie beträgt etwas mehr als 1 Stunde. Mit 0.1C sinkt die Ladeeffizienz auf 70% und die Ladezeit beträgt 14 Stunden oder mehr.

Bei einer 70% Initialladung beträgt die Ladeakzeptanz einer gesunden Nickel-Kadmium-Batterie ca. 100%. Beinahe alle Energie wird aufgenommen und die Batterie bleibt kühl. Die Ladung mit Strömen gemäss dem C-Koeffizienten kann mehrere Male erfolgen, ohne dass die Batterie sich erwärmt. Ultraschnellladegeräte verwenden diese Möglichkeit, um eine Batterie innert wenigen Minuten auf 70% aufzuladen. Die 70% überschritten, verliert die Batterie gleichmässig die Möglichkeit der Ladeakzeptanz. Der Druck steigt und die Temperatur nimmt zu.

Nickel-Kadmium und Nickel-Metallhydrid-Batterien mit sehr hohen Kapazitäten tendieren stärker zur Erwärmung als Standardbatterien, wenn sie schnell geladen werden. Dies wird teilweise begründet mit dem steigenden inneren Zellenwiederstand. Um diesen Temperaturanstieg abzuschwächen und trotzdem kurze Ladezeiten zu erreichen, arbeiten moderne Ladegeräte zu Beginn mit einem hohen Ladestrom, der dann reduziert wird, um sich der Ladeakzeptant anzupassen.

Eingestreute Entladeimpulse während des Ladevorganges verbessern die Ladeakzeptanz von Batterien auf Nickelbasis. Diese auch als Burb oder Revers Load Ladung bezeichnete Methode unterstützt die Regeneration der während der Ladung gebildeten Gase. Die Resultate davon sind bessere Leistung, kleinerer Memory-Effekt und längere Lebenserwartung.

Die Vollladeerkennung basiert auf einer Kombination von Spannungsabfall bei Erreichen der Vollladung (negatives Delta V), Wert des Temperaturanstieges (dT/dt), absolute Temperatur und des Timeout-Zählers. Das Ladegerät verwendet das zuerst auftretende Kriterium, um den Ladevorgang abzubrechen.

Mit dem Versuch, einige zusätzliche Kapazitätspunkte zu gewinnen, erlauben einige Ladegeräte gewisse Überladungen. Der dadurch entstehende Kapazitätsgewinn beträgt bei einer guten Batterie etwa 6%. Der Nachteil ist eine Verkleinerung der möglichen Ladezyklen. Anstelle von 350 bis 400 Ladezyklen, die zu erwarten wären, erreicht eine Batterie mit dieser aggressiven Lademethode nur noch etwa 300 Zyklen.

Nach einer initialen Schnellladung, verwenden einige Schnellladegerät eine zeitgesteuerte Vollladung, gefolgt von einer Schwebeladung. Die empfohlene Schwebeladung bei Nickel-Kadmium beträgt 0.05C bis 0.1C. Wegen des drohenden Memory-Effektes und der Kompatibilität mit Nickel-Metallhydrid wird die Schwebeladung so tief wie möglich gehalten.
Es ist jedoch schwierig, wenn nicht unmöglich, Nickel-Metallhydrid langsam zu laden. Von 0.1C bis 0.3C sind die Kennlinien der Spannung und der Temperatur eher undefiniert und die Messung des Vollladezustandes ist unsicher, und das Ladegerät muss mit einem Timer gekoppelt werden. Eine nachteilige Überlastung entsteht, wenn eine teilweise und vollgeladenen Batterie mit einem festen Timer geladen wird. Dasselbe geschieht bei einer älteren Batterie, die einen Kapazitätsverlust zeigt. Eine Überladung kann bereits erfolgen, obwohl die Nickel-Metallhydrid-Batterie beim Berühren kühl erscheint.

Billige Ladegeräte können eventuell keine richtige Vollladung durchführen. Manche zeigen eine Vollladung an, sofort nach Erreichen der Spitzenspannung oder Spitzentemperatur. Solche Ladegeräte werden oft angepriesen wegen den kurze Ladezeiten und einem mässigen Preis.

Einfache Richtlinien

· Vermeiden von erhöhter Temperatur während der Ladung. Keine Ladegeräte verwenden, die die Batterien zum 'Kochen' bringen.
· Ein Ladegerät für Nickel-Metallhydrid kann ebenfalls für Nickel-Kadmium eingesetzt werden, aber nicht umgekehrt. Ein für Nickel-Kadmium gebautes Ladegerät wird eine Nickel-Metallhydrid-Batterie überladen.
· Batterien auf Nickelbasis bevorzugen Schnellladung. Das Verwenden von Langsamladung führt zur Kristallentwicklung (Memory).
· Wenn nicht gebraucht, entfernen der Batterie vom Ladegerät und Aufladung unmittelbar vor dem nächsten Einsatz. Belassen Sie keine Batterien auf Nickelbasis länger als einige wenige Tage im Ladegerät, selbst wenn eine Schwebeladung durchgeführt wird.

Ein gut konzipiertes Ladegerät ist ein ziemlich komplexes Gerät. Kurzfristige Einsparungen können den Benutzer auf die Dauer teuer zu stehen kommen. Die Wahl eines gut konzipierten Ladegerätes wird die Investition auf die Dauer mit länger lebenden und bessere Leistungen aufweisende Batterien rechtfertigen.

Über den Autor
Isidor Buchmann ist der Gründer und Geschäftsführer von Cadex Electronics Inc., in Vancouver BC. Herr Buchmann hat fundierte Basiskenntnisse in der drahtlosen Kommunikation und studierte über zwei Jahrzehnte hinweg das praktische Verhalten von wiederaufladbaren Batterien und ihre täglichen Verwendungen. Als Autor gewann er Auszeichnungen für viele Artikel und Bücher über Batterien. Herr Buchmann's technische Ausführungen gingen rund um die Welt.
Cadex Electronics ist Hersteller von fortschrittlichen Batterieladegeräten, Batterieanalysern und PC-Software. Für Produktinformationen besuchen Sie bitte www.cadex.com.